Experiments with Nitrocellulose - Chemistry and Chemists № 2 2025

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Combustion of Nitrocellulose Film - Part 3
Горение нитроцеллюлозной пленки - часть 3

In the previous experiment, a nitrocellulose solution formed a thin film on the surface of water. This gave me the idea of obtaining a nitrocellulose film to demonstrate its combustion. To achieve this, I poured the previously prepared nitrocellulose solution in acetone into a dry Petri dish, spread it over the surface with a glass rod, and allowed the solvent to evaporate. As I feared, the nitrocellulose film adhered to the glass and could not be separated with the rod. I then poured water into the Petri dish and left it for a while. Eventually, the film detached from the glass and floated to the surface of the water. I carefully removed the nitrocellulose film from the dish and dried it.

When ignited, the film burned with a yellow flame in about a second. This reminded me of an experiment I once conducted during my time in the army, where I attempted to burn nitrocellulose on the palm of my hand. At the time, the commander tried to dissuade me, but I didn't listen - and ended up getting burned. While reflecting on that experience, I recalled that the village where we were stationed is now under occupation. At that moment, the head of the laboratory entered the room. After learning what I was planning to do, he also tried to dissuade me:

"- You'll burn your hand!"

After some thought, I decided to proceed, reasoning that I wasn't dealing with smokeless powder granules this time, but a thin nitrocellulose film. I acknowledged the risk of getting burned, but I doubted it would be severe.

I placed the film on my palm and lit it with a lighter. There was a quick yellow flash, and I felt a strong burning sensation. As soon as the combustion ended, I instinctively pulled my hand away. It was painful, but fortunately, I didn't suffer any burns.

Photos/Video

Горение нитроцеллюлозной пленки - часть 3

В прошлом эксперименте раствор нитроцеллюлозы образовывал тонкую пленку на поверхности воды. Это навело на мысль получить нитроцеллюлозную пленку, чтобы потом продемонстрировать ее горение. Для этого я налил в сухую чашку Петри раствор нитроцеллюлозы в ацетоне, полученный ранее, распределил его по поверхности стеклянной палочкой и дал растворителю испариться. Как я и опасался, пленка нитроцеллюлозы пристала к стеклу и не отделялась с помощью стеклянной палочки. Налил в чашку Петри воды и оставил на время. Пленка отстала от стекла и всплыла на поверхность воды. Аккуратно извлек нитроцеллюлозную пленку из чашки Петри и высушил.

При поджигании пленка сгорела желтым пламенем буквально за секунду. Это навело меня на мысль повторить эксперимент по сжиганию нитроцеллюлозы на ладони, который я сделал, будучи в армии. Тогда командир пытался меня отговорить, но я его не послушал и получил ожог... Заодно вспомнил, что село, где мы тогда дислоцировались, сейчас находится под оккупацией. Во время этих воспоминаний и размышлений в комнату зашел заведующий лабораторией. Узнав, что я планирую сделать, он тоже начал меня отговаривать:

"- Ты обожжешь руку!"

Подумав, решил продолжить, учитывая, что в данном случае я собираюсь сжигать не гранулы бездымного пороха, а тонкую пленку нитроцеллюлозы. Возможно, и обожгусь, но несильно.

Поместил пленку на ладонь и зажег нитроцеллюлозу зажигалкой. Произошла желтая вспышка, я почувствовал сильное жжение. Уже после прекращения горения не выдержал и отдернул руку. Было больно, зато не обжегся.

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Combustion of Nitrocellulose - Part 4
Горение нитроцеллюлозы - часть 4

During the previous experiment, we saw that burning nitrocellulose on the palm of your hand is not always a good idea - you can get burned. A less exotic way to initiate combustion should be chosen. For example, you could ignite nitrocellulose using a hot bridge wire. But why not just use a match or a lighter for this purpose?

The thing is, I have long wanted to test how various solid mixtures (or individual substances) that simultaneously contain both an oxidizer and a reducing agent burn - not in air, but in an atmosphere of different gases, such as argon, hydrogen, or carbon dioxide.

What substances and mixtures do I mean? For example, black powder, which contains an oxidizer (potassium nitrate) and reducing agents (sulfur, charcoal), or nitrocellulose, which contains both an oxidizer and a reducing agent in the same molecule. These substances do not require atmospheric oxygen to burn.

On the other hand, if you fill a jar with carbon dioxide, place a spoon with black powder inside, and try to ignite it using a match, the flame will immediately go out due to contact with carbon dioxide. You could ignite black powder in air and then immerse it in carbon dioxide, but the combustion of black powder is intense from the start, so this method is not ideal.

One solution is to initiate combustion using electric current. That's why I decided to try hot bridge wires. First, I conducted combustion in air, leaving tests with other gases for later.

As a filament, I used a wire ("thread") extracted from a steel sponge for washing dishes. I attached wires to it. This isn't the best option for a filament, but it's cheap and accessible. I dipped the bridge wire into a solution of nitrocellulose in low-quality acetone, pulled it out, and a film of the solution formed on the wire. I let the film dry, dipped the bridge into the solution again, and pulled it out. I repeated this process several times until a sufficient amount of viscous liquid adhered to the wire. I left it to dry for a day.

The next day, I checked the electrical resistance, secured the bridge, and connected a lead battery to the contacts. First, white smoke appeared, and then a yellow flash occurred. The combustion of nitrocellulose was relatively slow.

I decided to repeat the experiment underwater. For this, I made another heating bridge, this time a rougher one. I dipped it into the nitrocellulose solution, pulled it out, allowed the film to dry, and repeated the process. Eventually, a layer of viscous liquid several millimeters thick formed around the wire.

To isolate the nitrocellulose from water, I immersed the bridge wire into a polystyrene solution in low-quality acetone and then removed it. A film of the polystyrene solution formed over the nitrocellulose. Since it was cold in the lab, I placed the bridge in a thermostat at 80°C to dry. This resulted in an embarrassing incident: the polystyrene film swelled like a soap bubble. I had to press it down with a spatula and then dip the bridge back into the polystyrene solution to form a new continuous film.

After the solvent evaporated, I checked the electrical contact and immersed the bridge underwater. I connected a lead battery to the contacts. Many gas bubbles formed, and part of the nitrocellulose glowed red and then yellow. No flame was observed. Interestingly, after the flash, the bridge's appearance, with its layers of nitrocellulose and polystyrene, remained unchanged - combustion affected only the inner layers of the substance.

Photos/Video

Горение нитроцеллюлозы - часть 4

Во время прошлого эксперимента мы убедились: сжигать нитроцеллюлозу на ладони - не всегда хорошая идея - можно обжечься. Следует выбрать менее экзотический способ инициации горения. Например, поджечь нитроцеллюлозу с помощью электрического мостика накаливания (a hot bridge wire). А почему для этой цели не использовать просто спичку или зажигалку?

Дело в том, что я уже давно хотел проверить, как различные твердые смеси (или индивидуальные вещества), одновременно содержащие окислитель и восстановитель, горят не на воздухе, а в атмосфере различных газов. Например, в аргоне, в водороде или в углекислом газе.

Какие вещества и смеси я имею ввиду? Например, черный порох, который содержит в своем составе окислитель (нитрат калия) и восстановители (сера, уголь) или нитроцеллюлозу, которая содержит окислитель и восстановитель в одной и той же молекуле. Такие вещества не нуждаются в кислороде воздуха, чтобы гореть.

С другой стороны, если мы наполним цилиндр, например, углекислым газом, поместим в него ложечку с черным порохом и внесем в цилиндр спичку, чтобы поджечь порох, то спичка сразу погаснет от контакта с углекислым газом. Можно поджечь черный порох на воздухе, а затем погрузить его в углекислый газ, однако горение черного пороха с первых мгновений будет интенсивным, поэтому данный способ - не лучший.

Один из способов решить проблему - инициировать горение с помощью электрического тока. Именно поэтому я занялся мостиками накаливания. Для начала провел эксперимент на воздухе, оставив другие газы на потом.

В качестве нити накаливания использовал проволоку ("нить"), извлеченную из стальной губки для мытья посуды. Прикрепил к ней провода. Это не лучший вариант нити накаливания, зато дешевый и доступный. Окунул мостик накаливания в раствор нитроцеллюлозы в некачественном ацетоне, извлек, в результате поверх мостика образовалась пленка раствора. Дал пленке подсохнуть, затем опять погрузил мостик в раствор, извлек. Повторил эту процедуру несколько раз, пока к твердой поверхности не прилипло необходимое количество вязкой жидкости. Оставил сушиться на сутки.

На следующий день проверил электрическое сопротивление, закрепил мостик и подключил к контактам свинцовый аккумулятор. Сначала появился белый дым, потом произошла желтая вспышка. Горение нитроцеллюлозы было сравнительно медленным.

Решил повторить эксперимент, но под водой. Для этого изготовил еще один мостик накаливания, на этот раз - более грубый. Окунул его в раствор нитроцеллюлозы в некачественном ацетоне, извлек - образовалась пленка, дал ей подсохнуть, потом еще раз погрузил в раствор и т.д. В результате вокруг проводов образовался слой вязкой жидкости толщиной в несколько миллиметров.

Для изоляции нитроцеллюлозы от воды окунул мостик накаливания в раствор полистирола в некачественном ацетоне, извлек. Поверх нитроцеллюлозы образовалась пленка раствора полистирола. В лаборатории было холодно, поэтому поместил мостик накаливания сушиться в термостат при 80°С. В результате произошел конфуз: пленка полистирола вздулась, словно мыльный пузырь. Пришлось придавить пленку шпателем, а затем снова погружать мостик в раствор полистирола для формирования новой сплошной пленки.

После испарения растворителя проверил электрический контакт и погрузил мостик накаливания под воду. Подключил к контактам свинцовый аккумулятор. Образовалось множество пузырьков газа, часть нитроцеллюлозы раскалилась до красного, а затем до желтого свечения. Пламени не наблюдалось. Любопытнее всего было то, что после вспышки внешний вид мостика с нанесенными на него нитроцеллюлозой и полистиролом не изменился - горение затронуло только внутренние слои вещества.

Комментарии

^К1 В конце 70-х я работал примерно год в НИИ прикладной математики и механики при Томском гос.университете лаборантом. Готовил эксперименты по изучению скорости горения разных составов в зависимости от давления азота от вакуума до примерно 100 атм.

При низком давлении (под колоколом) нитроцеллюлоза, октоген и разные смеси не горят.

Видимо, это представляет проблему в открытом космосе.

При повышенном давлении азота скорость горения увеличивается.